Применение рентгеновского излучения в медицине

 

В лечебных целях рентгеновское излучение применяется в онкологии, т.к. наиболее чувствительны к рентгеновскому излучению быстроразмножающиеся клетки, т.е. злокачественные опухоли.

Наиболее распространенным применением рентгеновского излучения является применение для диагностических целей – просвечивание рентгеновскими лучами с диагностической целью.

Для рентгенодиагностики используют фотоны с энергией , т.е. очень узкий диапазон длин волн . Поглощение рентгеновского излучения в этой области описывается как

,

где связан в основном с фотоэффектом. коэффи-циент пропорциональности.

Мягкие ткани организма состоят из достаточно легких ато-мов . А минеральное вещество костей содержит элементы со значительными порядковыми номерами , поглощающая способность которых значительна. Поэтому отно-сительно мягкое излучение кость поглощает примерно в 10 раз сильнее, чем мягкие ткани, а жесткое излучение кость поглощает только в 2 3 раза сильнее.

Если на пути рентгеновского излучения поместить какое-либо тело, а за ним экран, то тело, поглощая излучение, образует на экране тень. Наблюдая образующееся теневое изображение тела, можно судить о форме органа. А по контрастности тени и об относительной плотности тела. Т.к. разные органы и ткани поглощают рентгеновское излучение по-разному, то и картину на экране мы будем иметь для каждого органа своеобразную и по ней судить о нормальности и патологическом состоянии органа.

В рентгенодиагностике используют три метода: рентгено-скопию (просвечивание), рентгенография (фотографирование) и рентгеновскую томографию.

При рентгеноскопии теневое изображение получается на экране: наиболее плотные, сильно поглощающие органы (сердце, наполненные кровью сосуды, кости) видны темными, а мало поглощающие органы – светлыми.

При рентгенографии теневое изображение получается на снимке, на котором мало поглощающие органы получаются темными, а сильно поглощающие – светлыми. Иэображение получается четким. Можно сделать рентгенодиагностические исследования органов, которые не даюттеневого изображения.Для этого их наполняют контрастной массой , хорошо поглощающей рентгеновское излучение.

Рентгеновская томография является достаточно новым методом и позволяет послойно исследовать орган. Она заключается в том, что рентгеновская трубка и фотопленка перемещаются в противофазах. При исследовании какого-либо органа в нем выбирается одна какая-то точка (точка качания) Эту точку фотографируют с разных позиций. И тогда те органы, которые затемняли изучаемую точку при рентгенографии, становятся общим фоном, на котором выделяется исследуемая точка. При исследовании какого-либо органа, изменяя положение точки качания, т.е. последовательно исследуя одну точку органа за другой, послойно, можно получить послойное изображение исследуемого органа. Такая последовательная запись органа называется томографией.

Можно вместо фотопленки использовать экран из полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения. Детекторы преобразуют рентгеновское излучение в электрический сигнал, который можно подать на компьютер или записать на бумаге самописца. За эту разработку авторы Хаунсфилд и Мак-Корман получили Нобелевскую премию.

Лекция 16

Ионизирующее излучение

 

Ионизирующим излучением называются потоки частиц и электромагнитных квантов, взаимодействие которых со средой вызывает ионизацию её атомов и молекул.

К ионизирующему излучению относятся жесткое рентгеновское излучение, излечение, потоки частиц, электронов, протонов, позитронов, нейтронов.

Человечество достигло высокого уровня цивилизации, в результате чего оно задействовало в круг своей хозяйственной деятельности ядерную энергию в промышленности, на атомных станциях (ядерные реакторы), осуществляет полеты человека в космос, где радиационное излучение значительно выше фонового на Земле, создало ядерное оружие. Именно эта деятельность человека привела к возникновению опасности для организмов, связанную с поражающим действием ионизирующего излучения. В связи с этим возникла необходимость в разработке методов защиты от поражающего действия радиоактивных излучений, что, в свою очередь, требует от биологов и врачей понимания некоторых вопросов ядерной физики и механизма действия излучений на организмы.

Кроме того, ионизирующее излучение применяется в терапии, т.к. имеет высокое действие на быстроразмножающиеся клетки, а также в диагностике – метод меченых атомов.

 

Строение атомного ядра

 

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которым дано общее название – нуклоны.

Заряды нуклонов: Заряд протона положительный, равный по величине заряду электрона . Нейтрон электрически нейтрален, его заряд .

Массы нуклонов равны

Число протонов в ядре равно числу электронов в данном атоме, т.е. число протонов равно порядковому номеру элемента периодической таблицы Менделеева.

Общее число нуклонов, т.е. общее число протонов и нейтронов, определяется массовым числом . Массовое число равно атомному весу элемента, округленному до целого числа.

Очевидно, число нейтронов в ядре определяется как

.

Например, в ядре урана с массовым числом и порядковым номером число нейтронов .

Ядро любого элемента обозначается химическим символом с указанием массового числа и числа протонов . Например,

Ядерные частицы обозначаются как

Ядра, имеющие одинаковые зарядовые числа , но разные атомные массы называются изотопами. Например,

Размер ядра: диаметр т.е. в раз меньше диаметра атома

Частицы, составляющие ядро, связаны между собой значительными силами взаимного притяжения, называемые ядерными силами. Основные свойства ядерных сил:

1. ядерные силы - короткодействующие силы, прояв-ляющиеся только на расстояниях порядка размеров самого ядра ;

2. ядерные силы относятся к сильным взаимодействиям: ;

3. ядерные силы действуют между нуклонами независимо от их зарядов, т.е. как между двумя нейтронами, двумя протонами, так и между нейтронами и протонами;

4. ядерные силы обладают свойством насыщения, т.е. частицы ядра взаимодействуют только с определенным числом нуклонов.

Имеются разные модели строения ядра. Мы рассмотрим

только наиболее распространённые.

Капельная модель – в этой модели ядро рассматривают как каплю жидкости, т.к. и в ядре и а капле жидкости частицы взаимодействуют между собой на малых расстояниях; и в ядре и в капле жидкости поверхностные частицы испытывают одностороннее притяжение со стороны внутренних, глубинных, частиц; и в ядре и в капле жидкости плотность вещества одинакова.

Оболочечная модель. Согласно этой модели протоны и нейтроны ядра, также как и электроны атома, располагаются на определённых энергетических уровнях. Наиболее устойчиво то ядро, энергетические уровни которого полностью заполнены. Т.о. ядро – это квантово - механическая система с дискретными энергетическими уровнями – основной уровень и возбужденные.

 

Энергия связи

 

С понятием ядерных сил связано понятие потенциальной энергии нуклонов. Потенциальная энергия больше энергии тех же нуклонов, связанных в ядре. Разность между этими энергиями есть энергия связи

Энергия связи – это та энергия, которая выделяется при образовании ядра из свободных нуклонов, или, согласно закону сохранения энергии, это энергия, которую необходимо затратить, чтобы превратить ядро в отдельные нуклоны.

Рассчитывается энергия связи по формуле Эйнштейна

.

Общая масса свободных нуклонов больше массы этих же нуклонов, связанных в ядре Разность между этими массами определяет дефект массы

Следовательно,

При образовании ядра из нуклонов или при распаде ядра выделяются кванты – электромагнитное излучение с длиной волны короче длины волны жесткого рентгеновского излучения.

.